压力容器机械强度可靠性设计分析

李锐

【摘 要】在对压力容器进行设计的过程中，其机械强度是否可靠是设计人员需要关注的重点。在通常情况下，研发人员在研究机械强度可靠性问题时，都会预先搭建三维模型，之后才会运用到现实情况下。然而，这种方式下完成的可靠性设计是不能够达到标准的，通常都不具备实用性。在以压力容器为对象进行机械强度可靠性设计时，必须要认真考虑容器的实际工作条件，从而展开针对性的设计，如果只是进行单一的仿制，是不可能制造出优良产品的。在当前工业水平飞速发展的今天，压力容器在载荷测试水平和强度检测水平方面，都得到了实质性的提高，在进行压力容器设计时，技术人员越来越关注参数的随机性问题了，这显然是十分有必要的。当前压力容器被运用到了很多领域，它的可靠性也逐渐受到国民的关注，故而，在今后的设计环节中，对于可靠性设计方法的研究必将是其未来的走向。

【关键词】压力容器；可靠性设计；机械强度

在进行压力容器机械强度可靠性设计时，必须要考虑到一些关键性的问题，最典型的就是关于尺寸的相关数据，设计人员在尺寸设计时，需要严格根据实现的工况来确定。在实施环节上我们可以按顺序进行如下安排，首先进行设计，然后再生产，在使用时进行必要的保养工作等。机械强度可靠性设计是一个十分繁杂的工作，文章开篇就对其进行了简要的论述，然后对再对其设计方案进行了相关的探讨。

一、理论方法

（一）基础理论

压力容器的主体就是一个筒状装置，它的设计一般是根据GB150-2011 标准来确定的，在设计过程中需要考虑到它的厚度问题，对其进行细分可以分为两个方面，一个是计算厚度，还有一个就是厚度的附加值。对于计算厚度而言，它是按照相关压力计算准则而得到的厚度数值；厚度附加值通常是由多个因素构成的，主要的就是钢材厚度负偏差值，然后影响比较大的就是筒体的腐蚀裕量，前者的取值是按照钢材相关标准进行择取的。

经过一些科学的探究我们发现，在很多情况下，屈服极限数值都被作为强度极限最大值使用，进而计算出筒体失效概率。

（二）可靠性设计步骤

对压力容器可靠性设计进行划分，通常可以分为以下六步：第一步，通过一些公式预先计算出可靠度等数值；第二步，在科学计算式B=[R] 的基础上，确定工件的故障概率F，F的相关公式为F=1-R；第三步，在我们得到故障概率数值之后，求出设定条件下的分布规律，之后再把可靠度指数确定下来；第四步，求出制造材料的相关数值，比如受载参数等；第五步，借助第三步算出的可靠度指数来确定应力均值；第六步，因为应力均值与尺寸值之间存在一定的规律，这是我们需要知道的，获取该值之后，就能够求出容器的壁厚尺寸了。

二、可靠性的概述

（一）可靠性定义

我们对产品可靠性有如下定义，其说的是在单位时间内、指定条件下，它的所有功能都能达到用户需求，并且在工作状态下不会发生故障，一直能够稳定的运行的性能。有鉴于它是一个压力容器，因此其可靠性受到诸多情况的影响，不仅包括温度、湿度和应力等典型因子，而且还有用户需求等客观因素。压力容器的可靠性和研究人员指定的时间密切相关，并且存在这样一个关系，时间越长，产品的可靠性就会越差。自从有了可靠性这一理念，研究人员在进行产品研发时，就可以更好的把握其使用时间了。

（二）可靠性研究意义

对于一些极为珍贵的产品，比如电子产品、军工设备等，它们的可靠性将直接影响到企业的运营情况，甚至于影响到国家的经济发展，故而，不管是平常的物件，还是比较重要的用品都需要把握其可靠性。当前科技正在一个飞速发展的阶段，使用者对产品的功能需求变得越来越多。产品质量包括的领域正在逐渐的扩大，其早就不仅仅指的是单一的产品性能，它的范围正在逐渐扩大至，产品的经济性，甚至是其安全性、可靠性等。现在说的产品的可靠性指的就是其投入使用后的质量特性，换句话说也就是产品性能的一种延伸；经济性是对产品整个性价比的一种衡量形式；安全性则是产品投入市场上使用时，其安全层面上的保障程度。安全性这一点通常是用使用者能够承受的危险概率来表述的。

（三）可靠性的指标

（1）可靠度（R）

这里说的可靠度一般是这样定义的，在单位时间内、一定条件下完成任务的概率，学术界一般都是使用R表示的。可靠度的影响因子一般有五个：研究对象、作用条件、实现功能、花费时间、概率值等。在数学的角度来描述，可靠度可以用时间函数来表示，它的数值一般在0-1之间，期间使用的公式如下①表示：

R=R（t） ①

（2）维修度

维修度同样也是一个概率值，它指的是产品出现问题以后，在特定条件下实施并完成维修的概率。由上述定义不难发现，维修度在很大程度上反映了进行产品维修的难度，它通常是和维修用时呈现正相关的，一般情况下，产品经过维修之后都可以达到之前的工作状态。

再把目光放回到压力容器上，它的可靠度和安全性一般会用特殊字符β表示，关于压力容器的可靠度的数据分析，在十九世纪八十年代都已经开始了，它的调研范围涉及美、德、英等发达国家，其结果显示发达国家代表的美国，其失效概率为0.63×10-5，而工业强国的德国其数值为10-5。值得注意的是，当前学界说使用的压力容器失效概率的标准，都是根据德国的统计数据为依据指定的。

三、进行压力容器机械强度可靠性设计的基本方法

（一）注重极限情况

在压力容器处于工作状态下时，筒体的厚度都会产生很大的改变，而且，由于受到筒体应力的影响，其也会产生部分变化，故而，在进行相关设计时，必须要首先分析好装载的物质对筒体的腐蚀速率。研究人员会使用相关数学和物理公式对筒体厚度进行確定，在这个过程中一定要考虑到可靠性被损坏的情况：a、压力容器筒体发生屈服失效；b、压力容器筒体部位产生裂痕；研究人员一定要注意到压力容器在一些极限位置下的失效情况，经过研究尽可能提高压力容器抗压值，进而保证产品的可靠性。

（二）精确计算压力容器的筒体厚度

在上世纪五十年代，科学家在对路合金强度探究时，找到了实际工况下的腐蚀深度分布规律，随着大量资金的投入和研发人员不懈的努力，相关研究取得的成果也变得越来越多。还有一点要注意的是，在计算压力容器腐蚀裕量的过程中，是能够求出容器最开始的筒体厚度的。

（三）合理应用受压材料

在对压力容器机械强度可靠性影响的研究中，我们不难发现受压材料是一个不容忽视的话题，受压材料在使用时，必须要依据介质腐蚀性强度以及相关的设计压力来确定，一方面，受压材料受介质影响比较大，这里的介质通常都具有易燃、易爆性质，故而制作压力容器的原材料一定要满足国家既定的标准。另一方面，必须要为压力容器设置一个合理的结构，这对产品可靠性也是至关重要的。

四、结语

在进行压力容器的设计时，安全系数一般都不是一个确定值，根据可靠性设计方法，我们将部件上的应力、强度都看成随意变化的数值，这就意味着它的主要特性就是离散性，而此时我们的处理手段就是运用数学函数和概率统计等解决。我们之所以进行可靠性设计，就是为了使得压力容器的强度满足既定要求。

【参考文献】

[1] 崔健， 郭树平， 李肖蔚. 压力容器的机械强度可靠性设计分析[J]. 技术与市场， 2016， 23（5）：224-224.

[2] 孙明刚. 压力容器的机械强度可靠性设计解析[J]. 工程技术：引文版， 2016（7）：00253-00253.

[3] 孙维国. 对压力容器的机械强度可靠性设计的简单探讨[J]. 科技资讯， 2012（18）：126-126.